电荷耦合器件的优势与应用都有哪些？

电荷耦合器件 (Charge Coupled Device,CCD）是一种半导体器件，它的基本单元是 MOS 电容器，器件中的所有基本单元电容器依次排列。当对某个MOS单元电容器施加电压时，单元上的电荷包能够逐次转移。图像传感器是 CCD的一种成功应用。CCD 的工作原理是，首先在一个称为光敏区的区域搜集由光电效应等方式产生的电荷，然后将其转移到一个可以对电荷进行读出与处理的区域，最终通过外围电路进行信号输出以供后续传输和处理。

CCD 于 1969年由贝尔实验室的 Willard S. Boyle 和 George. E. Smith 共同发明。从20世纪80年代以后，索尼公司逐步成为最大的 CCD 供应商。电子倍增 CCD (Electron Multiplying CCD, EMCCD）在读出寄存器和输出放大器之间加入了增益奇存器，使得电子在转移过程中发生 “撞击离子化效应”，产生新的电子，实现了电子倍增。EMCCD 的信噪比较普通 CCD 获得了较大提高，特别适合在单光子探测、活细胞显微观察、细胞荧光成像等低光照条件下应用。

早期的 CCD 采用正照方式工作，即光从正面入射，经过多晶硅电极及介质层，在芯片内部半导体材料中被吸收并产生电子-空穴对。由于入射光子要通过多晶硅材料，而多晶硅材料强烈吸收短波长的光，这样将会导致入射光强的损失，从而致使 CCD 量子效率下降。经过改进的背照式 CCD，光从芯片背面一侧进入，不通过多晶硅电极，从而能提高 CCD 的量子效率。背照式 CCD 能够在低照度条件下完成目标摄像，在目标侦测、定位导航、资源勘查、环境监测等航空航天领域具有广泛的应用。

时间延迟积分 （Time Delay Integration， TDI) CCD 是面阵结构，以线阵方式工作，它具有光响应灵敏度高、信噪比高、能消除像移和可选择 TDI级数来控制曝光时间等特点，是星载、机载遥感相机图像获取和目标识别的核心器件。目前世界上航空航天领域中的遥感相机大都采用 TDI CCD。

与真空摄像管、热释电管和硅摄像管相比，CCD 具有体积小、质量小、功耗低、寿命长、灵敏度高、光谱响应范围宽、动态范围大、可全局快门成像等优点，是图像传感器领域的一次革命性突破。CCD 曾一度在安防监控、数码相机等民用市场得到广泛应用，但是随着 CMOS 图像传感器技术的出现，在民用市场 CCD 逐步让位于 CMOS 图像传感器。当前 CCD 在军事、航天和天文观察等专业领域仍有一定应用。

审核编辑：刘清